Ingenieros de la Universidad de Stanford han desarrollado un método aéreo para obtener imágenes de objetivos submarinos combinando luz y sonido, rompiendo así la barrera aparentemente infranqueable entre la interfaz de aire y agua. El nuevo sistema híbrido óptico-acústico, detallado recientemente en la revista IEEE Access, se podría utilizar para realizar estudios biológicos marinos con drones desde el aire, llevar a cabo búsquedas a gran escala de barcos y aviones hundidos y trazar mapas de las profundidades oceánicas con una velocidad y nivel de detalle similares a los paisajes terrestres.
“Los sistemas de radar aéreos y espaciales basados en láser, o LIDAR, han sido capaces de cartografiar los paisajes terrestres durante décadas. Las señales de radar son incluso capaces de penetrar en la cobertura de nubes y entre las copas de los árboles. Sin embargo, el agua de mar es demasiado absorbente para obtener imágenes en el agua. Nuestro objetivo es desarrollar un robusto sistema que pueda tomar imágenes incluso a través de aguas turbias”, explica el líder del estudio, Ami Arbabin, profesor asociado de ingeniería eléctrica en la Escuela de Ingeniería de Stanford.
La barrera entre el aire y el agua
Los océanos cubren alrededor del 70 por ciento de la superficie de la Tierra, sin embargo, sólo una pequeña fracción de sus profundidades ha sido sometida a imágenes y cartografía de alta resolución.
La principal barrera tiene que ver con la física: las ondas sonoras, por ejemplo, no puede pasar del aire al agua o viceversa sin perder la mayor parte, más del 99,9%, de su energía por reflexión contra el miedo. Un sistema que intenta ver bajo el agua utilizando ondas sonoras que viajan del aire al agua y viceversa está sujeto a esta pérdida de energía dos veces, lo que resulta en una reducción de energía del 99,9999 por ciento.
De manera similar, la radiación electromagnética, un término general que incluye señales de luz, microondas y radar, también pierde energía al pasar de un medio físico a otro, aunque el mecanismo es diferente al del sonido. “La luz también pierde algo de energía por reflexión, pero la mayor parte de la pérdida de energía se debe a la absorción por el agua”, explica el primer autor del estudio, Aidan Fitzpatrick, un estudiante de postgrado en ingeniería eléctrica de Stanford. Esta absorción es también a razón por la que la luz solar no puede penetrar en las profundidades del océano y por la que un teléfono inteligente, que depende de las señales celulares, una forma de radiación electromagnética, no puede recibir llamadas bajo el agua.
Sistema Sonar Fotoacústico Aéreo
La idea del nuevo sistema, denominado como “Photoacoustic Airborne Sonar System (PASS)”, surgió de otro proyecto que utilizaba microondas para realizar imágenes “sin contacto” » y caracterización de las raíces de plantas subterráneas. Algunos de los instrumentos de PASS fueron diseñados inicialmente para ese propósito en colaboración con el laboratorio del profesor de ingeniería eléctrica de Stanford Butrus Khuri-Yakub.
En su corazón, PASS juega con las fuerzas individuales de la luz y el sonido. «Si podemos usar la luz en el aire, donde la luz viaja bien, y el sonido en el agua, donde el sonido viaja bien, podemos obtener lo mejor de ambos mundos», dijo Fitzpatrick.
Para ello, el sistema primero dispara un láser desde el aire que es absorbido por la superficie del agua. Cuando el láser es absorbido, genera ondas de ultrasonido que se propagan a través de la columna de agua y se reflejan en los objetos submarinos antes de volver a la superficie.
Las ondas de sonido que regresan todavía pierden la mayor de su energía cuando rompen la superficie del agua, pero al generar las ondas de sonido bajo el agua con láseres, los investigadores pueden evitar que la pérdida de energía ocurra dos veces.
“Hemos desarrollado un sistema que es lo suficientemente sensible para compensar una pérdida de esta magnitud y aún así permitir la detección de la señal y la obtención de imágenes”, afirma Arbabian.
Las ondas de ultrasonido reflejadas son registradas por instrumentos llamados transductores. El software se utiliza para volver a unir las señales acústicas como un rompecabezas invisible y reconstruir una imagen tridimensional del rasgo u objeto sumergido.
“De manera similar a como la luz se refracta o ‘dobla’ cuando pasa a través del agua o cualquier medio más denso que el aire, el ultrasonido también se refracta. Nuestros algoritmos de reconstrucción de imágenes corrigen esta curvatura que ocurre cuando las ondas de ultrasonido pasan del agua al aire”, detalla Arbadin.
Estudios oceánicos con drones
Los sistemas de sonar convencionales pueden penetrar a profundidades de cientos a miles de metros, y los investigadores esperan que su sistema sea capaz de alcanzar eventualmente profundidades similares.
Hasta la fecha, el PASS sólo ha sido probado en el laboratorio en un contenedor del tamaño de una gran pecera. “Los experimentos actuales utilizan agua estática pero actualmente estamos trabajando para hacer frente a las olas de agua”, dijo Fitzpatrick. “Este es un desafío pero creemos que es un problema factible”.
El siguiente paso, dicen los investigadores, será realizar pruebas en un entorno más grande y, eventualmente, en un ambiente de aguas abiertas.
“Nuestra visión para esta tecnología es a bordo de un helicóptero o un avión no tripulado. Esperamos que el sistema sea capaz de volar a decenas de metros sobre el agua”, concluye Fitzpatrick.
Créditos de imagen de portada: Kindea Labs
